Met dank aan motorfreaks

Honda's Elektronische Stuurdemper

Door Ed Smits (edraket), geplaatst op 13 december 2003 om 12:38

Hoe en waarom

Honda introduceert met de 2004 Fireblade een nieuw soort stuurdemper, hetgeen ze zelf mooi HESD (Honda Electronic Steering Damper) hebben genoemd. Maar voordat we ons gaan verdiepen in dit systeem, wil ik eerst even uitleggen wat een stuurdemper nou precies is en waarvoor hij wordt toegepast.
Stuurdempers worden veelal op (super)sport motoren gemonteerd om te voorkomen dat het stuur (op hoge snelheid) ongecontroleerd heen en weer begint te slaan, hetgeen in de volksmond ook wel een tankslapper wordt genoemd. Maar hoe ontstaat nou precies een tankslapper? Om dat te begrijpen, moeten we terug naar de basis van een motorfiets.

Een motor is, net als een fiets, in principe een instabiel apparaat. Zodra je de zijstandaard inklapt valt hij om. Gelukkig wordt het allemaal wat beter zodra we gaan rijden. Dan gaan de wielen ronddraaien en zal de centrifugaal kracht de motorfiets stabiliseren. Nu zijn er verschillende factoren die het rijgedrag van de motorfiets, zowel positief als negatief, kunnen beïnvloeden. Deze factoren kun je onderverdelen in geometrie (wielbasis, balhoofdshoek, naloop), zwaartepunt (gewichtsverdeling, hoogte van het zwaartepunt) en aërodynamica. Verder heeft natuurlijk ook de vering, demping en wielkeuze invloed op dit geheel. Voor dit artikel zullen we ons echter beperken tot de invloeden van de geometrie op het stuurgedrag van de motor. De belangrijkste factoren zijn uitgezet in onderstaande foto:



A) Wielbasis: dat is de hartafstand tussen het voorwiel en het achterwiel
B) Naloop: dat is de afstand tussen de hartlijn van het balhoofd en het hart van het voorwiel, horizontaal gemeten vanaf de grond.
C) Balhoofdshoek: dat is de hoek die het balhoofd maakt t.o.v. de grond (of een denkbeeldige verticale lijn).

Wielbasis:
Als we een motor willen hebben die snel instuurt, zullen we de wielbasis zo kort mogelijk proberen te houden. Hoe groter namelijk de wielbasis, hoe trager de motor zal sturen. Omdat de afstand tussen voor- en achterwiel groter is geworden, is ook de tijdspanne waarbinnen het achterwiel het voorwiel zal volgen groter geworden. De motor is moeilijker van zijn lijn af te brengen maar is daardoor wel stabieler geworden.

Naloop:
De naloop is altijd afhankelijk van de balhoofdshoek en bepaald de stabiliteit van de motor. Een grote naloop zorgt, in combinatie met een steile balhoofdshoek, voor stabiliteit bij lage snelheden. Hoe groter de snelheid (en dus belasting), hoe onstabieler de motorfiets echter wordt. Vaak zie je dan ook bij sportieve motoren dat de naloop zo kort mogelijk wordt gehouden, omdat men de handelbaarheid bij hoge snelheden wil bevorderen.

Balhoofdshoek:
De balhoofdshoek bepaald in grote mate het stuurkarakter van de motorfiets. Hoe kleiner de hoek, hoe gemakkelijker de motor te sturen is. Maar ook hoe nerveuzer de motorfiets zal worden, want ook niet bedoelde stuurbewegingen worden direct doorgegeven, waardoor het voorwiel wil gaan klapperen. Maken we de balhoofdshoek echter groter, dan zal dit de stabiliteit ten goede komen, de motor zal echter moeilijker te sturen zijn. Dit komt omdat het traagheidsmoment tussen stuur en voorwiel dan groter wordt.

Nu we weten wat bovenstaande factoren voor invloed hebben op het rijgedrag van de motor, kunnen we dit in de praktijk gaan toepassen. Als we kijken naar een sportieve motor, dan willen we dus een motor met een korte wielbasis, steile balhoofdshoek en korte naloop, want dat bevorderd het stuurgedrag van de motor. We willen namelijk de motorfiets zo gemakkelijk mogelijk van het ene op het andere oor kunnen leggen. De motor zal in principe ook onstabieler worden, maar zolang de belasting niet al te hoog is, is er nog niets aan de hand. Anders wordt het echter als we de belasting gaan opvoeren, bijvoorbeeld onder snelle acceleratie. De druk op het voorwiel zal afnemen, waardoor deze sneller van richting wil veranderen. Een steentje op de weg kan dan al tot gevolg hebben dat het stuur heen en weer gaat slaan. En dat willen we juist niet hebben, want we willen ten alle tijden een stabiele motor behouden.

Om dit probleem te ondervangen, maakt men gebruik van een stuurdemper. Deze zal er namelijk voor zorgen dat, wanneer het stuur begint te slaan, deze beweging zal worden gedempt en de motorfiets weer stabiel wordt. Bij hoge snelheden zal deze stuurdemper nagenoeg geen invloed hebben op het stuurgedrag, simpelweg omdat de stuuruitslag bij hoge snelheden steeds kleiner wordt. Bij lage snelheden wordt het echter een heel ander verhaal, want dan wordt de stuuruitslag groter en zal het sturen juist zwaarder gaan. En dat is nou precies wat we niet willen hebben. We willen namelijk nog steeds die flitsend sturende motorfiets. Dus zouden we eigenlijk een stuurdemper moeten hebben die pas onder hoge belastingen (of snelheden) actief wordt. Honda denkt hiervoor de oplossing te hebben gevonden

Elektronische demping

Hoe werkt nou precies de stuurdemper op de nieuwe Honda Fireblade, en waarin is deze verschillend met de traditionele dempers? In tegenstelling tot conventionele stuurdempers heeft men bij Honda gekozen voor een roterende demper. Figuur 1. laat zien hoe de demper er in doorsnede uitziet. De demperkamer is door middel van een rotor in twee compartimenten verdeeld. De rotor is op zich (middels de centrale as) verbonden aan de primaire arm, welke middels een kogelkop verbonden is aan de secundaire arm. Deze secundaire arm zit gemonteerd op de kroonplaat. Tot zover de constructie, nu gaan we kijken hoe het werkt.

Als we het stuur bewegen, zien we dat d.m.v. de hevelconstructie de rotor naar rechts of links zal gaan draaien, afhankelijk van de stuurbeweging. Draaien we het stuur naar links dan gaat de rotor naar rechts. Het rechter compartiment (B) wordt dus kleiner en het linker compartiment (A) wordt groter. Als we nu de demperkamer met olie vullen en de beide compartimenten d.m.v. olieleidingen met elkaar verbinden, dan zal de olie van kamer B zich verplaatsen naar kamer A. Figuur 2 laat schematisch zien hoe men dit bij Honda heeft gedaan. Ik zal hier niet al te diep op ingaan maar alleen het principe van de demping behandelen.

We zien dat de aan- en afvoerleidingen zijn voorzien van terugslagkleppen (a). Dit zijn kleppen die de olie maar in één richting doorlaten. (Komt de olie vanaf het hoedje, dan zal de kogel de veer indrukken en de olie doorlaten. Komt de olie vanaf de veer dan zal het kogeltje tegen het hoedje drukken en de olie wordt tegengehouden.) De leidingen van beide kamers staan met elkaar in verbinding d.m.v. een elektronische stuurklep (c). Deze stuurklep bepaalt nu de hoeveelheid olie die van kamer A naar kamer B kan stromen (en vice versa). En hiermee hebben we dus meteen de demping van de rotor te pakken: hoe verder we deze klep dichtzetten, des te meer weerstand de olie zal ondervinden en des te meer de rotor gedempt zal worden. Het overdrukventiel (b) zorgt voor een constante druk en de vrije zuigerkamer (d) is ter compensatie van de temperatuursafhankelijke volumevergroting van de olie.

Door nu de stuurklep aan te sluiten op de ECU unit (zeg maar de computer van de motor, die o.a. ook de injectie, bougievonk enz. regelt) kun je dus op elk gegeven moment de oliestroom binnen de stuurdemper regelen. De regeling van de stuurklep is dan ook afhankelijk van de snelheids- en acceleratiewaarden van deze ECU unit. En hiermee heb je dus je variabele stuurdemper. Figuur 3 laat zien hoe de dempingskarakteristiek is opgebouwd. Bij lage snelheid en lage acceleratie is er weinig demping. Bij toenemende snelheid of acceleratie neemt de demping toe. Waarmee we dus precies datgene hebben gecreëerd wat we zo graag willen hebben. De motorfiets behoud zijn flitsende stuureigenschappen bij lage snelheid en bij hoge snelheid zorgt de (actieve) stuurdemper voor voldoende stabiliteit. Eigenlijk is het idee zo kinderlijk eenvoudig dat je je afvraagt waarom niemand hier eerder op is gekomen. Maar zoals altijd met goede ideeën zijn ze vaak zo simpel dat constructeurs ze over het hoofd zien.

De grootste uitdaging is uiteraard om zoiets zo compact mogelijk te maken voor een betaalbare prijs. En daarin zijn de heren van Kayaba, die het systeem in opdracht van Honda hebben ontwikkeld, zeer zeker geslaagd.